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随着骨组织工程技术的不断发展,其在临床上被用来修复骨缺损的应用越来越多。支架是骨组织再生的三大要素之一,理想骨支架应具备生物可降解性和合适力学性能等特性。聚乳酸是一种常用的医用可降解材料,在骨组织工程中已被广泛应用。鉴于体内降解实验不确定因素多、周期长、花费大、动态降解过程难检测等特点,利用数值仿真来探索聚乳酸骨支架的降解具有重要的理论和现实意义。考虑到聚乳酸支架植入人体后的力学环境,本文旨在建立应力刺激下聚乳酸骨支架降解的数学模型,结合有限元数值分析,研究不同应力刺激强度及时间对不同支架结构动态降解过程的影响。同时,为了验证提出的数学模型,开展聚乳酸骨支架的体外降解实验研究。主要研究内容如下:
1. 数学模型:提出了一个包含水解和自催化效应的聚乳酸降解数学模型,并在该模型中引入了应力刺激因素;给出了支架单元完全降解的两个判定条件;构建了聚乳酸数均分子量及其杨氏模量之间的关系。根据受力分析,建立了支架降解到一定程度在应力刺激作用下发生垮塌的判定条件。
2. 数值分析:以设计的三种周期性聚乳酸骨支架胞元为研究对象。基于 1 中建立的数学模型和ABAQUS中VUMAT子程序,自定义了聚乳酸降解的算法,分析并可视化了三种支架结构降解动态过程。结果表明:应力刺激会提高支架的降解速率;相似孔隙率的不同结构支架降解趋势相似,但垮塌时间不同。
3. 体外实验:设计了力学加载装置,开展了聚乳酸支架体外降解实验研究。实验表明:和数值分析结果一致,随着应力刺激增大,聚乳酸支架的降解加速,其质量、体积、杨氏模量和数均分子量也会明显降低。然而,受应力刺激比较小实验组结果差别较小,这说明弱的应力刺激对聚乳酸降解的影响有限。此外,通过将杨氏模量和数均分子量的实验和数值结果进行对比,对比结果较好,验证了1中数学模型的有效性。
本文结合理论、数值、实验等研究手段,全面地分析了聚乳酸支架的动态降解过程。有助于了解聚乳酸骨支架的降解、指导支架结构设计、评估支架的体外降解行为。
1. 数学模型:提出了一个包含水解和自催化效应的聚乳酸降解数学模型,并在该模型中引入了应力刺激因素;给出了支架单元完全降解的两个判定条件;构建了聚乳酸数均分子量及其杨氏模量之间的关系。根据受力分析,建立了支架降解到一定程度在应力刺激作用下发生垮塌的判定条件。
2. 数值分析:以设计的三种周期性聚乳酸骨支架胞元为研究对象。基于 1 中建立的数学模型和ABAQUS中VUMAT子程序,自定义了聚乳酸降解的算法,分析并可视化了三种支架结构降解动态过程。结果表明:应力刺激会提高支架的降解速率;相似孔隙率的不同结构支架降解趋势相似,但垮塌时间不同。
3. 体外实验:设计了力学加载装置,开展了聚乳酸支架体外降解实验研究。实验表明:和数值分析结果一致,随着应力刺激增大,聚乳酸支架的降解加速,其质量、体积、杨氏模量和数均分子量也会明显降低。然而,受应力刺激比较小实验组结果差别较小,这说明弱的应力刺激对聚乳酸降解的影响有限。此外,通过将杨氏模量和数均分子量的实验和数值结果进行对比,对比结果较好,验证了1中数学模型的有效性。
本文结合理论、数值、实验等研究手段,全面地分析了聚乳酸支架的动态降解过程。有助于了解聚乳酸骨支架的降解、指导支架结构设计、评估支架的体外降解行为。